Это четвертая статья о применении металлорежущего инструмента и нагрузках, возникающих в процессе обработки. Первая статья посвящена основам обработки металла и взаимосвязи между геометрией инструмента, величиной подачи и механическими нагрузками при токарной обработке. Две последующие статьи рассматривают механические и температурные нагрузки при фрезеровании. Данная статья объясняет взаимодействие между срезаемой стружкой и инструментом на основе теорий трибологии, относительно нового подхода к анализу нагрузок, возникающих при резании металлов. Трибология изучает взаимодействие соприкасающихся поверхностей при определенных температурах и давлении.

Теории износа инструмента

Во время обработки инструмент деформирует заготовку, и материал сходит в виде стружки. В процессе деформации возникают температурные и механические нагрузки, которые со временем приводят к износу или выходу из строя инструмента. Согласно традиционной теории изнашивания, инструмент выходит из строя из-за трения, возникающего между ним и стружкой, которые соприкасаются, но не соединяются друг с другом.

Однако недавние исследования, посвященные механизмам разрушения режущих инструментов, показали, что характер механической и температурной нагрузки, особенно при обработке высококачественных материалов, не может быть полностью описан в рамках традиционной теории износа, когда речь идет о взаимодействии стружки и инструмента.

Трибологические исследования показали, что обработка не ограничивается единичным срезом и последующим отделением стружки от инструмента. На самом деле, контакт возникает и прекращается несколько раз. Срезаемая стружка прилипает к передней поверхности инструмента, затем снова срезается, прежде чем окончательно соскользнуть с инструмента. Основным механизмом износа является повторяемый срез (сдвиг), а не трение.

1На рисунках 1 и 2 показан процесс обработки металла с точки зрения трибологии. На рисунке 1 показана первичная деформация обрабатываемого материала в области 5. Область 3 является зоной отделения, которую также называют точкой остановки, потому что в данной области движение материала заготовки и инструмента относительно друг друга практически равно нулю. Резание начинается в «зоне первичного сдвига 1», где материал начинает отделяться и образуется стружка. Затем в «зоне вторичного сдвига 2» стружка соприкасается с передней поверхностью инструмента. Под воздействием сильной механической нагрузки стружка прилипает к передней поверхности инструмента.

2На рисунке 2 более подробно показано, что происходит в области 2. В области A режущая кромка с большим усилием вжимается в материал, и он прилипает к инструменту. В области B материал прилипает к передней поверхности. В области C стружка срезается с передней поверхности и скользит по ней, прекращая контакт с инструментом.

На рисунке 1 также показан вторичный сдвиг по задней поверхности инструмента в области 4. Та же последовательность разрезания и прилипания, которая применяется в области 2 на передней поверхности, возникает и на задней поверхности. Процессы, происходящие в области 4, приводят к относительно безопасному износу по задней поверхности, предсказать который проще, чем износ по передней поверхности в области 2. Тем не менее, при обработке некоторых материалов вторичный сдвиг по задней поверхности приводит к поверхностному упрочнению, которое увеличивает нагрузку на инструмент и заготовку.

Нарост на режущей кромке

Сначала на переднюю поверхность инструмента налипает тонкий слой материала, затем слои накапливаются. Этот процесс может привести к нежелательному наростообразованию. Если на инструменте накапливается значительное количество материала, может измениться профиль режущей кромки. Кроме того, накопившийся материал может отломиться и повредить кромку. И, пожалуй, в самом худшем случае, возможно взаимодействие нароста кромки с заготовкой. В любом из перечисленных случаев наростообразование может воспрепятствовать предсказуемой и контролируемой обработке. Основная задача трибологии — изучить причины наростообразования и способы борьбы с этой проблемой.

Прилипание стружки к передней поверхности зависит от двух аспектов обработки. Одним из них являются высокие механические и температурные нагрузки в зоне резания. Другой аспект — относительно низкая скорость движения стружки по передней поверхности, начиная с отсутствия движения в точке остановки. Когда два материала соприкасаются друг с другом при высокой механической и температурной нагрузке и медленно перемещаются, создаются благоприятные условия для их прилипания друг к другу и образования нароста на режущей кромке.

RU_HQ_ILL_Built-up_Edge.jpg_ico400Чтобы снизить степень прилипания и вероятность образования нароста на режущей кромке, необходимо уменьшить время контакта стружки с передней поверхностью. Самое очевидное решение — увеличить скорость резания и использовать более острый инструмент. Повышенная скорость резания сокращает время контакта инструмента с материалом заготовки. Возникающие в результате повышенные температуры также способствуют снижению прочности нароста кромки или устраняют его полностью. Более острый инструмент имеет больший передний угол, благодаря чему стружка перемещается на большее расстояние за установленный период времени, то есть движется быстрее.

Особенности материалов

Внимание на исследования в области трибологии стали обращать лишь недавно, так как материалы, которые обладают высокой склонностью к наростообразованию, редко обрабатывались 20 лет назад. Например, при обработке таких привычных материалов, как высокоуглеродистая сталь, наростообразование не являлось существенной проблемой. Применение правильных параметров обработки, как правило, позволяет избежать налипания и предотвратить наростообразование. Кроме того, при обработке материалов, дающих очень короткую стружку, таких как чугун, эта проблема отсутствует. С другой стороны, обработка материалов с длинной стружкой по умолчанию подразумевает большее время контакта стружки с инструментом, что создает дополнительный риск наростообразования. При обработке таких материалов, как низкоуглеродистые стали и алюминий вероятность образования нароста на режущей кромке становится еще выше.

Чаще всего нарост на режущей кромке образуется при обработке материалов с высокой пластичностью, абразивностью и склонностью к налипанию. В качестве основного примера можно привести материалы, используемые в энергетической и аэрокосмической промышленности, включая титановые сплавы, сплавы на основе никеля и жаропрочные сплавы. В качестве дополнительного фактора, способствующего наростообразованию, можно выделить высокие механические и температурные нагрузки, которые возникают при обработке прочных сплавов с низкой теплопроводностью. Кроме того, скорость резания этих материалов, как правило, ниже средней.

4Помимо увеличения скорости резания и использования более острых инструментов, существуют и другие методы борьбы с наростообразованием, основанные на качестве поверхности инструмента. Как ни странно, существуют два противоположных подхода. Согласно первому, если поверхность инструмента более гладкая, при скольжении стружки по передней поверхности инструмента образуется меньше энергии. Более низкая температура и меньший контакт снижают склонность к наростообразованию. Согласно второй, противоположной концепции, более шероховатая поверхность инструмента с микрометрическими выступами обеспечивает меньший контакт между стружкой и передней поверхностью, таким образом снижается вероятность налипания. Ни один из подходов не был безоговорочно доказан, поэтому, в зависимости от обстоятельств, использование обоих может быть эффективным.

Заключение: прогресс благодаря трибологии

Исследования и теории в области трибологии, а также инструменты и технологии, создаваемые для решения таких проблем, как наростообразование (см. дополнение), направлены на обеспечение качества поверхности, соответствующего требованиям клиентов. Помимо требования к размерам и форме, качество детали часто определяется шероховатостью поверхности. Качество поверхности является высшим приоритетом, особенно в аэрокосмической и ядерной промышленности, поскольку дефекты обработки могут привести к образованию трещин на ответственных деталях летательных аппаратов и оборудования для производства электроэнергии.

Наростообразование снижает качество поверхности и приводит к необходимости частой замены инструментов. Обширные исследования в области трибологии позволили снизить вероятность наростообразования и ограничить его последствия. Успехи можно измерить отношением стоимости к производительности, а именно — стоимостью производства одного квадратного миллиметра правильно обработанной поверхности заготовки. За последние пять лет отношение стоимости к производительности для чистовой обработки титана сократилось почти в 20 раз. Успешными были разработки как в области материалов режущего инструмента, так и в области геометрии инструментов, но лучший результат дало их тщательно продуманное сочетание. Знание трибологических механизмов, задействованных в процессах использования инструментов, позволит операторам управлять такими явлениями, как наростообразование, и добиваться необходимой шероховатости поверхности при меньших расходах, повышая производительность и прибыльность.

Дополнение:

Применение результатов трибологических исследований

Инженеры применяют результаты трибологических исследований при разработке новых инструментов и процессов обработки. С точки зрения процесса применение более высокой скорости резания и острой геометрии режущей кромки часто позволяет эффективно контролировать наростообразование. Другие решения в области геометрии инструмента, такие как использование инструментов с позитивным углом, позволяют отводить стружку от заготовки.

Покрытие инструмента — это проверенный способ снизить налипание материала на режущий инструмент. Покрытия с хорошей смачиваемостью, такие как TiN, традиционно используются при обработке стали для упрощения схода стружки, как алмазное покрытии применяется при обработке алюминия.

В последнее время при разработках большое внимание уделяется роли покрытия для сокращения наростообразования. Например, покрытие нового поколения Seco Duratomic® CVD на основе оксида алюминия создано на основе трибологических принципов. Инженеры-разработчики изменяли состав покрытия с учетом новейших данных о взаимодействии между стружкой и режущим инструментом.

5Еще одно покрытие Seco, созданное для контроля наростообразования — новое PVD-покрытие серебристого цвета, разработанное для фрезерных пластин MS2050. Это покрытие отличается высокой термостойкостью и практически исключает наростообразование при обработке вязких материалов, таких как титан. При отсутствии наростообразования срок службы пластин увеличивается почти на 50%, и они могут работать при гораздо более высоких режимах резания по сравнению с существующими инструментами.

Основные исследования в области трибологии направлены на то, чтобы такие явления, как наростообразование, положительно влияли на производительность обработки. В некоторых случаях тонкий слой материала заготовки на поверхности режущего инструмента может замедлить развитие износа. Трудность заключается в том, чтобы добиться такой толщины этого защитного слоя, при которой он не повлияет на геометрию инструмента и не будет отделяться от его поверхности.

Благодаря постоянному внедрению новых высокоэффективных сплавов, обработка которых выдвигает новые задачи, трибология динамично развивается. Инновационные знания из области трибологии используются инженерами при разработке режущих инструментов и методов обработки.

Источник: пресс-релиз от
ООО «Секо Тулс», г. Москва

Автор:
Патрик де Вос (Patrick de Vos),

управляющий по корпоративному
техническому обучению
компании Seco Tools

О компании Seco Tools

Компания Seco Tools, штаб-квартира которой находится в г.Фагерста, Швеция, заслужила мировую репутацию за развитие инновационных решений по металлообработке и за тесное сотрудничество с заказчиками, позволяющее лучше понять и удовлетворить их потребности. В штате компании работает более 5000 человек в 50 странах мира. Мы расширяем возможности наших сотрудников путем обучения, развития, программ по признанию достижений сотрудников, а также путем создания открытой среды общения. Наши сотрудники привержены трем основным ценностям — энтузиазм в помощи клиенту, семейный дух и личная вовлеченность. Эти ценности определяют наш подход к бизнесу и то, как мы взаимодействуем друг с другом, с нашими клиентами, поставщиками и другими партнерами. Узнать больше о нашей компании можно на сайте www.secotools.com.



Понравилась статья? Поделитесь: